bab v.docx

BAB V

NERACA MASSA DAN ENERGI

Berbagai perhitungan yang dimungkinkan untuk perencanaan awal

pembangunan pabrik kimia. Prediksi yang disertai berbagai teori dapat memberi

akurasi yang lebih naik dalam penentuan. Laju alir komponen disertai komposisi

aliran dari tiap unit proses yang berlangsung dalam usaha produksi. Penentuan

kapasitas peralatan pabrik serta kebutuhan energi suatu pabrik, diperlukan

perhitungan terhadap neraca massa dan neraca energi yang masuk dan keluar dari

suatu peralatan. Kedua neraca ini sangat diperlukan dalam penentuan spesifikasi

setiap peralatan proses. Jumlah panas yang dibutuhkan sesuai dengan jumlah

massa yang diproses. Demikian juga ukuran peralatan ditentukan oleh jumlah

massa yang harus ditangani.

5.1 Neraca Massa

Neraca massa merupakan penerapan dari pada prinsip kekekalan massa

pada satuan proses. Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa ”massa tidak

dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dirubah dari satu

bentuk ke bentuk yang lain”. Perubahan dapat terjadi bila terjadi perubahan

energi, tetapi dalam reaksi kimia perubahan massa kecil sekali sehingga prinsip

kekekalan massa dapat diberlakukan. Hukum kekekalan massa tidak berlaku pada

reaksi-reaksi fusi dan fisi dimana perubahan massa jauh lebih besar dari pada

reaksi kimia biasa.

5.1.1 Persamaan Neraca Massa

Dalam penentuan neraca massa dari suatu sistem atau peralatan diperlukan

adanya batasan-batasan dari sistem yang ditinjau. Perhitungan neraca massa pada

sistem kontinyu dianggap dalam keadaan tunak (steady state). Aliran proses yang

mempunyai lebih dari satu komponen, perhitungan neraca masanya dilakukan

pada masing-masing komponen disamping perhitungan neraca massa total.

Persamaan umum untuk setiap sistem proses yang terjadi dapat ditulis :

Massa keluar = massa masuk + generasi – konsumsi – akumulasi (5.1)

Untuk proses steady state dan tidak terjadi reaksi kimia maka

akumulasi, generasi dan konsumsi adalah nol. Sehingga persamaan neraca

massanya dapat dituliskan :

Massa keluar = Massa masuk (5.2)

5.1.2 Langkah-langkah Pembuatan Neraca Massa

Menurut Himmeblau (2004) langkah-langkah yang ditempuh dalam

pembuatan neraca massa adalah sebagai berikut :

1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan;

2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan pada

diagram tersebut;

3. Memeriksa apakah ada komposisi atau massa pada setiap aliran yang

langsung dapat diketahui atau dihitung;

4. Menetapkan dasar perhitungan, semua perhitungan bahan atau komponen

harus didasarkan pada dasar yang sama;

5. Jumlah besaran yang diketahui harus dihitung tidak boleh melebihi jumlah

persamaan neraca bahan independen yang ada;

6. Jika jumlah persamaan neraca massa bahan yang diketahui melebihi, perlu

dipilih persamaan-persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan

persoalan;

7. Membuat persamaan sesuai dengan jumlah yang tidak diketahui;

8. Menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan yang belum diketahui.

Disamping itu juga dikenal cara perhitungan neraca massa menurut

Reklaitis (1983), yaitu dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan;

2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan dalam

diagram tersebut;

3. Menentukan derajat kebebasan atau degree of freedom dari masing-masing

proses dan proses secara keseluruhan;

4. Menyusun persamaan untuk menyelesaikan persoalan;

5. Menyelesaikan persamaan yang dimulai dari proses yang derajat

kebebasannya sama dengan 0 (nol);

6. Selanjutnya disusun tabel derajat kebebasan yang baru untuk menyelesaikan

persamaan yang derajat kebebasannya sama dengan nol, begitu seterusnya

sehingga semua persamaan dapat diselesaikan.

5.2 Neraca Energi

Neraca energi merupakan persamaan matematika yang menyatakan

hubungan antara energi masuk dan energi keluar sistem. Prinsip dasar yang

digunakan sesuai dengan prinsip dasar kekekalan energi, yaitu ”energi tidak dapat

diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Konsep neraca energi menurut

Himmeblau (1982) pada dasarnya sama dengan konsep neraca massa, yaitu :

E = E1 – E0 (5.3)

Keterangan :

E = akumulasi energi

E1 = energi masuk

E0 = energi keluar

Persamaan energi pada proses-proses industri biasanya dapat

disederhanakan untuk proses-proses tanpa akumulasi (steady state), sehingga

Persamaan 5.3 diatas menjadi lebih sederhana, yaitu :

E1 = E0 (5.4)

Istilah-istilah yang sering dijumpai pada perhitungan neraca energi adalah:

1. Entalpi (H), merupakan jumlah energi dalam dan perkalian antara tekanan dan

volume, perubahan entalpi merupakan panas yang diserap atau panas yang

dikeluarkan oleh dan dari sistem;

2. Kapasitas panas (Cp), merupakan energi yang dibutuhkan oleh suatu zat untuk

menaikkan suhu 1oC, energi ini dapat diberikan dengan cara pemindahan panas

dalam suatu proses tertentu;

3. Panas reaksi dan panas standar, merupakan perubahan entalpi sebelum dan

sesudah reaksi terjadi, panas reaksi terjadi pada tekanan 1 atm dan temperatur

25oC;

4. Panas pembentukan standar, merupakan panas reaksi yang khusus, panas yang

diperlukan untuk pembentukan senyawa dari unsurnya;

5. Panas sensibel, merupakan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan atau

menurunkan temperatur suatu zat tanpa merubah fasanya;

6. Panas laten, merupakan panas yang dibutuhkan untuk merubah fasa suatu zat

tanpa menaikkan atau menurunkan temperaturnya.

Untuk hasil perhitungan neraca massa dan energi pada tiap alat dapat

dilihat pada Tabel 5.1 sampai Tabel 5.13, sedangkan contoh perhitungan neraca

massa dan energi untuk masing-masing peralatan disajikan pada Lampiran A dan

Lampiran B.

5.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa

Perhitungan neraca massa pada prarancangan pabrik bioetanol dari

pelepah sawit seperti dibawah ini:

Basis perhitungan : 1 jam operasi

Satuan : kilogram

Waktu operasi : 330 hari/tahun

Kapasitas bahan baku (kg/jam) = 5050 kg/jam

5.3.1 Chipper (CP-101)

Fungsi: Untuk memotong pelepah sawit menjadi chip.

TKS TKS

F1 F2

Gambar 5.1. Alur neraca massa pada chipper (CP-101)

Tabel. 5.1 Rangkuman neraca massa pada chipper

KomponenMasuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)

F1 F2

TKS 5050,0000 Chip TKS 5050,0000Total 5050,0000 5050,0000

5.3.2 Gasifier (R-101)

Fungsi: Untuk menghasilkan gas-gas pembentuk senyawa hidrokarbon.

Gambar 5.2 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Gasifier (R-101)

Tabel 5.2 Rangkuman neraca massa pada Gasifier (R-101)


F3 F4 F5 F6 F7

H2 64,760 CO 2018,145 CO2 760,307 CH4 391,051 C2H4 226,660

Chipper(CP-101)

C2H6 34,559 Char 982,124Steam 606 1765,379 2371,379 Olivine 119663,59 119663,59Ash 141,4 107,795 TKS 4444 Total 126620,367 126620,367

5.3.3 Char Combustor (B-101)

Fungsi: Perlakuan lebih lanjut char yang diperoleh untuk sirkulasi panas gasifier

(R-101)

Gambar 5.3 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Combustor Char (B-101)

Tabel 5.3 Rangkuman neraca massa pada Char combustor(B-101)

Komponen

Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)F7 F8 F9 F11 F5 F10

Char 982 Olevin 119663 131,629 119794,629 MgO N2 4827,075 4827,075O2 1283,146 1283,146Abu 107,79 1089,795

5Total 126994,6465 126994,6465

5.3.4. Cyclone (Cy-101)

Fungsi: Menghilangkan partikel padatan pada aliran yang akan memasuki

steam reforming.

Gambar 5.4 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Cyclone (Cy-101)

Tabel 5.4 Rangkuman neraca massa pada Cyclone (Cy-101)


F6 F11 F12

H2 64,7600 64,7600CO 2018,1448 2018,1448CO2 760,3069 760,3069CH4 391,0506 391,0506C2H4 226,6599 226,6599C2H6 34,5594 34,5594Ash 107,795 107,795 Total 3603.2765 3603.2765

5.3.5 Steam reformer (R-103)

Fungsi : mengkonversi sebagian besar gas hidrokarbon menjadi senyawa H2

dan CO

Gambar 5.5. Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Steam reforming (R- 102)

Tabel 5.5 Ringkasan neraca massa pada unit Steam reformer (R-102)

KomponenMasuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F12 F13 F14

H2 64,7600 342,1505732

CO 2018,1448 1350,021164

CO2 760,3069 3551,1128

CH4 391,0506

C2H4 226,6599 22,6659888

C2H6 34,5594 3,4559406

H2O 1773,925241

Total 5269,407 5269,407

6. Quenching Tower (SC-101)

Fungsi : Menghilangkan sebagian CO2 untuk mengurangi beban kerja HTS

(High Temperatur Shift)

Gambar 5.6 Keterangan aliran serta komposisi masuk Quenching Tower (SC-101)

Tabel 5.6 Ringkasan neraca massa pada unit Quenching Tower (SC-101)

KomponenMasuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam)

F14 F15 F18 F16 F17

H2 342,150 342,150

CO 1350,021 1350,021

CO2 3551,112 103,337

C2H4 22,665 22,665

C2H6 3,455 3,455

K2CO3 11298,995 328,800

KHCO3 15813,751

H2O 1452,727 56,946

Total 18021,130 18021,130

7. High Temperature Shift Converter Reactor (R-103)

Fungsi : Reaktor tempat berlangsungnya konversi dari gas CO menjadi H2 dan

CO2 dengan bantuan steam pada temperatur tinggi (350°C-400°C).

Gambar 5.7 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit High Temperature Shift Reactor (HTS) (R-103)

Tabel 5.7 Ringkasan neraca massa pada unit High Temperature Shift Converter (R-103)


F17 F20 F19

H2 342,150 406,430CO 1350,021 472,331

CO2 103,337 1517,503C2H4 22,666 22,666C2H6 3,455 3,455H2O 898,7844556 298,026Total 2720,416 2720,415

8. BlowTank (TT-101)

Fungsi : Membuang air proses yang telah dipakai untuk treatment lebih lanjut

Gambar 5.8 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Blow Tank (TT-101)

Tabel 5.8 Ringkasan neraca massa pada unit Blow Tank (TT-101)


F19 F21 F24

H2 406,430 406,430

CO 472,331 472,331

CO2 1517,503 1517,503

C2H4 22,666 22,666

C2H6 3,455 3,455

H2O 298,026 298,026

Total 2720,415 2721.415

9. Low Temperature Shift Converter Reactor (R-104)



Gambar 5.9. Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Low Temperature Shift Reactor (R-104)

Tabel 5.9 Ringkasan neraca massa pada unit Low Temperature Shift Converter (R-104)


F21 F22 F23

H2 406,430 438,481CO 472,331 22,435CO2 1517,503 2222,627C2H4 22,666 22,666C2H6 3,455 3,455H2O 303,641 16,363Total 2726,030 2726,030

10. Absorber (C-101)

Fungsi : Menyerap CO2 yang terdapat dalam aliran utama produk hidrogen.

Gambar 10. Aliran dan komposisi masuk unit Absorber (C-101)

Tabel 5.10 Ringkasan neraca massa pada unit Absorber unit (C-101)


F23 F25 F26 F27 F28

H2 438,482 438,48

2

CO 22,436 22,436

CO2 2222,627 51,120

C2H4 22,666 22,666

C2H6 3,456 3,456

H2O 16,363 892,894 20,913

K2CO3 7071,996 162,656

KHCO3 9969,19

1

Total 10690,920 10690,920

11. Regenerator (C-102)

Fungsi : Meregenerasi kembali K2CO3 dari larutan KHCO3 dengan reaksi

reversible dari reaksi absorbsi.

Gambar 5.11 Aliran dan komposisi masuk Regenerator (C-102)

Tabel A.15 Ringkasan neraca massa pada unit Regenerator (C-102)


F16 F28 F30 F31

CO2 5486,916

K2CO3 328,800 162,655 17949,827

KHCO3 15813,751 9969,191 593,007

H2O 56,946 20,912 2322,507

Total 26352,259 26352,259

12. Pressure Swing Adsorption (PSA-101)

Fungsi : menyerap gas-gas selain H2 untuk memurnikan produk akhir.

Gambar 5.12 Aliran dan komposisi Pressure Swing Adsorben (PSA-101)

Dengan merujuk pada vendor pembangun beberapa pabrik hidrogen didunia

Haldor Topsoe, kinerja dari penyerapan gas-gas selain H2 didalam PSA mendekati

100%. Dalam hal ini, penulis mengasumsikan nilai penyerapan gas-gas tersebut

mencapai 100%. Dengan demikian didapatkan nilai komposisi aliran sebagai

berikut :

Tabel 5.12 Ringkasan neraca massa pada unit PSA (PSA-101)


F27 F32 F33

H2 438,4819 438,4819

CO 22,4358 22,4358

CO2 51,1204 51,1204

C2H4 22,6660 22,6660

C2H6 3,4559 3,4559

Total 538,160 538.160

5.4 Hasil Perhitungan Neraca Energi

5.4.1 Gasifier (R-101)

Fungsi: Untuk menghasilkan gas-gas pembentuk senyawa hidrokarbon.

Gambar 5.13. Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Gasifier (R-101)

Tabel 5.13 Rangkuman neraca energi pada Gasifier (R-101)

KomponenMasuk (KKal/jam) Keluar (KKal/jam)

F3 F4 F5 F6 F7

H2 8.276,32

CO 257.918,90

CO2 97.167,23

CH4 49.976,26

C2H4 28.967,13

C2H6 4.416,69

Char 125.515,45

Steam 77.446,80 225.615,44 303.062,24

Olivine 15.293.006,54 15.293.006,54

Ash 18.070,92 13.776,20

TKS 567.943,20

Total663.460,92 225.615,44 15.293.006,54 763.560,98 15.418.521,99

16.182.082,89 16.182.082,96

5.4.2 Char Combustor (B-101)

Fungsi: Perlakuan lebih lanjut char yang diperoleh untuk sirkulasi panas gasifier

(R-101)

Gambar 5.14 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Combustor (B-101)

Tabel 5.14 Rangkuman neraca energi pada char combustorKompone

nMasuk (KKal/jam) Keluar (KKal/jam)

F7 F8 F9 F11 F5 F10

Char 125.499,60

Olevin15.292.931,4

016.822,2

2

15.309.753,62

MgO

N2 616.900,2

6

616.900,26

O2 163.986,1

4

163.986,14

Ash 13.776,2

0

139.275,80

Total15.418.431,00

16.822,22

780.886,40

13.776,20

15.309.753,62

920.162,20

16.229.915,83 16.229.915,83

5.4.3 Steam reformer (R-103)

Fungsi : Mengkonversi sebagian besar gas hidrokarbon menjadi senyawa H2 dan

CO

Gambar 5.15 Alur Neraca Energi pada Heat Exchanger

Tabel 5.15 Rangkuman neraca energi pada Steam Reformer

KomponenMasuk (KKal/jam) Keluar (KKal/jam)

F12 F13 F14

H2 8.276,32 43.726,84CO 257.918,90 172.532,70CO2 97.167,23 453.832,22CH4 49.976,26 C2H4 28.967,13 2.896,71C2H6 4.416,69 441,67H2O 226.707,65

Total446.722,54 226.707,65 673.430,15673.430,19 673.430,15

5.4.4 Quenching Tower (SC-101)

Fungsi : Menghilangkan sebagian CO2 untuk mengurangi beban kerja HTS (High

Temperatur Shift)

Gambar 5.16 Keterangan aliran serta komposisi masuk Quenching Tower (SC-101)

Tabel 5.16 Rangkuman neraca energi pada Quenching TowerKompone

nMasuk (KKal/jam) Keluar (KKal/jam)

F14 F15 F18 F16 F17

H2 43.726,84 43.726,84

CO 172.532,70 172.532,7

0CO2 453.832,22 13.206,52C2H4 2.896,71 2.896,71C2H6 441,67 441,67K2CO3 1.444.011,61 42.020,74

KHCO3 2.020.997,4

0

H2O 185.658,64 7.277,81

Total673.430,15 1.444.011,61 185.658,64

2.070.295,95

232.804,45

2.303.100,40 2.303.100,40

5.4.5 High Temperature Shift Converter Reactor (R-103)

Fungsi : reaktor tempat berlangsungnya konversi dari gas CO menjadi H2 dan


Gambar 5.17 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit High Temperature Shift Reactor (HTS) (R-103)

Tabel 5.17 Rangkuman neraca energi pada High Temperature Shift Converter Reactor (R-103)

KomponenMasuk (Kkal/jam) Keluar (Kkal/jam)F17 F20 F19

H2 43.726,84 51.941,86CO 172.532,70 60.363,98CO2 13.206,52 193.936,99C2H4 2.896,71 2.896,71C2H6 441,67 441,67H2O 114.864,65 38.087,83

Total232.804,45 114.864,65 347.669,04347.669,10 347.669,04

5.4.6 BlowTank (TT-101)

Fungsi : Membuang air proses yang telah dipakai untuk treatment lebih lanjut

Gambar 5.18 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Blow Tank (TT-101)

Tabel 5.18 Rangkuman neraca energi pada BlowTank (TT-101)

KomponenMasuk (Kkal/jam) Keluar (Kkal/jam)

F19 F21 F24

H2 51.941,86 51.941,86

CO 60.363,98 60.363,98

CO2 193.936,99 193.936,99

C2H4 2.896,71 2.896,71

C2H6 441,67 441,67

H2O 38.087,83 38.087,83

Total347.669,04 38.087,83 309.581,22

347.669,04 347.669,04

5.4.7 Low Temperature Shift Converter Reactor (R-104)



Gambar 5.19 Keterangan aliran serta komposisi masuk unit Low Temperature Shift Reactor (R-104)

Tabel 5.19 Low Temperature Shift Converter Reactor (R-104)

KomponenMasuk (Kkal/jam) Keluar (Kkal/jam)

F21 F22 F23

H2 51.941,86 56.037,99CO 60.363,98 2.867,29CO2 193.936,99 284.051,79C2H4 2.896,71 2.896,71C2H6 441,67 441,67H2O 38.805,41 2.091,20

Total309.581,22 38.805,41 348.386,65348.386,63 348.386,65

5.4.8 Absorber

Fungsi : menyerap CO2 yang terdapat dalam aliran utama produk hydrogen

Gambar 5.20 Aliran dan komposisi masuk unit Absorber (C-101)

Tabel 5.20 Rangkuman neraca energi pada Absorber C-101Kompone

nMasuk (Kkal/jam) Keluar (Kkal/jam)

F23 F24 F25 F26 F27

H2 560,379.92 560,379.9

2

CO 28,672.89 28,672.89

CO22,840,517.8

6 65,331.91

C2H4 28,967.13 28,967.13 C2H6 4,416.69 4,416.69

H2O 20,912.031,142,627.3

3 1,509.32 26,726.69

K2CO3 9,038,011.3

8 207,874.26

KHCO3 12,740,626.42

Total3,483,866.52

1,142,627.33

9,038,011.38

689,277.86

12,975,227.37

13,664,505.23 13,664,505.23

bab v.docx

Documents